LEGO constructor y cero absoluto

Se acerca la víspera de Año Nuevo. Para algunos, son dos días en la cocina durante diez minutos en la mesa, para alguien es una gran ocasión para reunir a todos tus amigos y familiares, y para alguien son milagros, Papá Noel y, por supuesto, regalos bajo el árbol de Navidad. De año en año, los niños hacen una lista de deseos para el omnipotente mago de barba gris (estoy hablando de Santa Claus, no de Gandalf), y mis padres están haciendo todo lo posible para implementar estos deseos. Los tiempos están cambiando, los deseos están cambiando: antes un niño se regocijó en un caballo de madera y ahora le da una tableta. Pero LEGO siempre se ha considerado un excelente regalo universal para niños (y para adultos, qué pecado).

Sin embargo, este colorido constructor puede ser no solo un excelente entretenimiento para todas las edades, sino también un componente extremadamente útil del refrigerador de dilución, que se utiliza en el desarrollo de computadoras cuánticas. Científicos de la Universidad de Lancaster (Reino Unido) decidieron realizar un experimento para congelar bloques LEGO a una temperatura cercana al cero absoluto (-273,15 ° C). Este experimento aparentemente extraño mostró resultados muy interesantes, cuyos detalles aprenderemos del informe del grupo de investigación. Vamos

Una breve historia de LEGO

Dado que el personaje principal de este experimento es LEGO, sería de mala educación no contar un par de hechos sobre este constructor.

Casi todas las piezas LEGO están hechas de plástico, en particular plástico ABS (acrilonitrilo butadieno estireno o (C ₈ H ₈ ) _x · (C ₄ H ₆ ) _y · (C ₃ H ₃ N) _z ). Sin embargo, en los primeros años de su existencia, de 1932 a 1949, LEGO produjo juguetes de madera.


Ole Kirk Christiansen, 1957

La empresa fue fundada en Dinamarca por Ola Kirk Christiansen. El hombre que cambió la forma en que los adultos piensan acerca de los juguetes para niños nació en 1891 en una familia de agricultores bastante pobre. A partir de los catorce años, Ole, bajo la guía de su hermano, comenzó a aprender las habilidades de un carpintero, en el que más tarde se involucró, pero ya fuera de Dinamarca (de 1911 a 1916 trabajó en Alemania y Noruega).

Al regresar a su tierra natal en 1916, Ole, después de gastar todos sus ahorros, compró una carpintería y un almacén de madera, donde vivía y al mismo tiempo comerciaba con madera y productos de madera.

Un negocio pequeño pero rentable permitió en 1930 establecer su propia compañía para la producción de artículos para el hogar, una gran proporción de los cuales eran escaleras y tablas de planchar. Sin embargo, la economía en los años 30 no era la más estable, muchas empresas cerraron o sufrieron grandes pérdidas. La compañía de Christiansen no fue la excepción.

Y aquí vale la pena hacer una pequeña digresión. Ole en 1916 se casó con una chica de Noruega llamada Kirstina Serensen, que le dio cuatro hijos. Desafortunadamente, Kirstina falleció en 1932.


Una pequeña película animada, The LEGO Story, filmada en honor del 80 aniversario de la compañía (2012).

Volvamos a los asuntos de negocios. Debido a la crisis, se necesitaba algo nuevo, popular y rentable. Ole y su hijo Gottfried comenzaron a hacer juguetes de madera. Así que había una empresa LEGO, cuyo nombre en latín se traduce como "coleccionar". Es curioso que en la empresa, ahora famosa en todo el mundo, en los primeros años solo trabajaran 7 personas.

Desde 1947, LEGO comenzó a producir cubos no de madera, sino de plástico, en los que aparecían piezas convexas especiales, que sirven para conectar los cubos entre sí.


Uno de los primeros sets que apareció con mi hermano (eh, nostalgia).

Ole Christiansen literalmente revolucionó el mundo de los juguetes. El principal "ingrediente" de LEGO es la imaginación, el pensamiento y la creatividad. Los niños, jugando con el diseñador, pueden crear mundos enteros llenos de personajes increíbles, edificios increíbles e historias desgarradoras. Los niños no son estúpidos, ven el mundo de manera diferente, lo exploran, desmantelando en bloques de componentes, como un constructor. Ole Christiansen estaba seguro de esto, y como tío de dos chicas maravillosas que adoran a los diseñadores, puedo decir con confianza que tenía razón.

Pero no solo juguetes, por así decirlo. En nuestro estudio de hoy, los bloques LEGO sobrevivieron a un resfriado increíble. ¿Por qué los científicos decidieron congelar el constructor? La respuesta es lo suficientemente banal: para ver qué sucede. Su curiosidad estaba más que justificada.

Durante los experimentos, los bloques LEGO (en lo sucesivo, la muestra) se expusieron a temperaturas que van desde 70 mK (milikelvin, 1 mK = 10 ^-3 K) a 1.8 K. Como resultado, se obtuvo la ley de potencia de conductividad térmica de la muestra:

κ = (8.7 ± 0.3) x ^10-5 T ^{1.75 ± 0.2} WK ^-1 m ^-1

Al final resultó que, los bloques LEGO pueden ser excelentes aislantes de calor, debido a su estructura inusual. Y los materiales con baja conductividad térmica son necesarios para el aislamiento térmico de componentes criogénicos. Por el momento, dichos materiales se utilizan ampliamente en la creación de computadoras cuánticas que dependen de bajas temperaturas aisladas para su funcionamiento normal. Ahora ya hay un polímero Vespel , que muestra un buen aislamiento térmico, pero es bastante costoso de fabricar, lo que no se puede decir sobre los bloques LEGO hechos de plástico ABS extendido.

Resultados de la investigación

Imagen No. 1: configuración experimental.

En los experimentos, se utilizaron 4 bloques conectados entre sí. La muestra se colocó en un refrigerador de disolución * creado en la Universidad de Lancaster * .

El Dissolution Refrigerator * es una unidad criogénica que utiliza dos isótopos de helio: ³ He y ⁴ He. Cuando la temperatura alcanza 700 mK y más baja, la mezcla experimenta una separación de fase espontánea, formando una nueva: rico ³ He y rico ⁴ He.

La conexión entre los bloques se realizó utilizando la geometría de los bloques en sí, es decir, sin el uso de ningún material adhesivo. La altura total de la muestra fue de 40,2 mm, el área fue de 502 mm ² y el peso fue de 9,28 g. En la parte superior e inferior de la muestra había placas de cobre (contactos), unidas usando grasa de vacío para mejorar el contacto térmico.

La placa de cobre inferior estaba conectada térmicamente a la cámara de mezcla del refrigerador. Un calentador de manganina con cable de 3 Ω (una aleación de cobre, manganeso y níquel) y un termómetro de resistencia se conectaron al platino superior. Antes de los experimentos, la temperatura de la placa inferior se mantuvo a T _baja ≈ 4.5 mK durante 9 días. Para medir la conductividad térmica, se aplicó un nivel constante de calor Q a la placa superior.Después de la estabilización de la temperatura de la placa superior (T _alta ), se realizaron mediciones directas. Se detectó una fuga de calor del propio material de muestra, que permaneció en el mismo nivel durante todo el experimento: Q ₀ = 3.2 x ^10-10 W (3.4 x ^10-11 Wg ^-1 ).

Como dicen los propios investigadores, para la conductividad térmica de los aislantes a temperaturas muy por debajo de la temperatura de Debye, se puede usar la expresión κ = λT ⁿ , donde κ es el coeficiente de conductividad térmica.

Las constantes λ yn se pueden determinar ajustando los datos experimentales a la expresión:

λ = Q (n +1) Δx / a (T _alto ^{n + 1} - T _bajo ^{n + 1} )

donde T _alto y T _bajo : temperatura alta y baja en toda la estructura de la muestra.


Imagen No. 2

El gráfico anterior muestra los resultados Q medidos en comparación con T _alto para una estructura modular de ABS.

La conductividad térmica en materiales plásticos a temperaturas muy bajas demuestra las dependencias de T ⁿ en n en el rango de 1.7 a 2.46. También se descubrió que la conductividad térmica de la estructura modular ABS anisotrópica dependerá en gran medida del eje de medición.

Además, quedó claro que la estructura LEGO ABS tiene una conductividad térmica mucho menor que uno de los mejores aislantes de calor volumétricos del mercado ( Macor * ). Es muy probable que este alto grado de aislamiento térmico lo proporcione la resistencia de contacto en las uniones de los bloques LEGO.

Macor * es una vitrocerámica con un alto grado de aislamiento térmico, que mantiene la estabilidad a 1000 ° C. Macor consta de: 46% de dióxido de silicio (SiO ₂ ), 17% de óxido de magnesio (MgO), 16% de óxido de aluminio (Al ₂ O ₃ ), 10% de óxido de potasio (K ₂ O), 7% de trióxido de boro (B ₂ O ₃ ), 4% de flúor (F).

Cuando se aplica una potencia de ≈400 nW a la placa superior, la temperatura de la placa superior aumenta en 1 K, pero la temperatura de la placa inferior permanece sin cambios. A modo de comparación: una estructura Vespel-SP22 con las mismas dimensiones que la estructura LEGO ABS debe tener un espesor de pared de menos de 300 micras para lograr el mismo grado de aislamiento.

Al mismo tiempo, el bloque "3001" (número de artículo del bloque) LEGO tiene un grosor de pared de aproximadamente 1,2 mm. Hacer un bloque con tales paredes es mucho más fácil. Pero 1,2 mm sigue siendo un grosor bastante pequeño, sin embargo, la unidad LEGO puede soportar una carga de ≈ 300 kg en una prensa hidráulica. Tal prueba de resistencia demuestra que la estructura del bloque, a pesar de la presencia de huecos en el interior, tiene un grado bastante alto de estabilidad mecánica. Por lo tanto, desde un punto de vista mecánico, la unidad LEGO puede resistir cualquier experimento criogénico razonable.

La compresión térmica de la estructura de ABS al enfriar desde temperatura ambiente hasta 4.2 K fue de 1.5% (Vespel 0.6%), que también es un indicador importante.


En este video, los autores del estudio hablan sobre su trabajo y demuestran los resultados del ego.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .

Epílogo

En este experimento, fue posible descubrir que el bloque de diseñador LEGO habitual tiene propiedades increíbles, especialmente teniendo en cuenta que se trata de un plástico ABS normal y no de un supermaterial.

En un experimento con bloques LEGO que cubren un área de 502 mm ² , solo se requirieron 400 nW de potencia para alcanzar un rango de temperatura de 100 mK a 1 K. Además, los cambios en la temperatura de la placa superior no afectaron la temperatura de la inferior, lo que indica un alto grado de aislamiento térmico.



Desde un punto de vista material, la unidad LEGO no es en modo alguno mejor que aislantes como Vespel o Macor. Sin embargo, su superioridad sobre los competidores no radica en el material, sino en la geometría de la estructura: la presencia de huecos dentro de cada bloque y la estrecha conexión entre los bloques (diagrama anterior).

Los resultados de los experimentos con bloques LEGO sugieren que estructuras similares hechas de material ampliamente disponible (plástico ABS) se pueden recrear en una impresora 3D.

Combinando las capacidades de la impresión 3D y el conocimiento obtenido de este estudio, es posible crear nuevas estructuras cuyo aislamiento, propiedades mecánicas e incluso eléctricas se modelarán de antemano para tareas específicas. No te olvides del costo de producción. Por lo tanto, una hoja Vespel con un área de 100 cm ² cuesta aproximadamente la instalación completa de una impresora 3D, que es necesaria para imprimir estructuras ABS. Un hecho importante desde el punto de vista ambiental es el hecho de que el ABS puede reutilizarse, a diferencia de la misma Vespel.

A veces, las cosas más simples a primera vista tienen increíbles propiedades ocultas que originalmente no fueron establecidas por los creadores en ellas. Para encontrarlos, debe mirar estos objetos desde un nuevo ángulo y hacerse preguntas que otros considerarían estúpidas, como "¿qué sucede si LEGO es empujado a una instalación criogénica y congelado a cero absoluto?".

Algunos descubrimientos vieron la luz a través de cálculos largos, minuciosos y extremadamente complejos, investigaciones teóricas y reflexiones sobre cada resultado probable. Otros se convirtieron en una idea del azar o una simple curiosidad científica, que cualquier científico debería poseer. Porque si un científico no quiere saber más sobre el mundo que nos rodea, puede estar atrapado en los descubrimientos que se hicieron antes que él.

Fuera de año nuevo

El 2019 inevitablemente llegará a su conclusión lógica. Durante este año se llevaron a cabo muchos eventos en el mundo, tanto inspiradores como tristes. Pero, sin importar las dificultades que se interponen en el camino de la humanidad, la comunidad científica continúa trabajando por su bien. En la ciencia moderna no debería haber países, banderas, colores e idiomas, en la ciencia moderna debería haber un celo general para hacer del mundo un lugar mejor, sin dividirlo por fronteras geopolíticas o étnicas.

Estamos lejos de la utopía, lejos de un futuro futurista brillante, que los escritores de ciencia ficción describen con tanta pasión. Pero esto no significa que debamos quedarnos quietos o, peor aún, retroceder.

Debemos recordar que no es necesario ser científico para amar y estar interesado en la ciencia. Los niños son un excelente ejemplo. Mis sobrinas no tienen títulos de doctorado, no se graduaron de la universidad y no escribieron una disertación, todavía están lejos de la escuela, pero en sus ojos veo un ardiente deseo de comprender este enorme mundo que los rodea.

A menudo escucho y veo las palabras "seguir siendo niños". Se hablan en el contexto del alma, las emociones, las visiones del mundo y más. En cuanto a mí, esta frase es genial para el mundo de la ciencia. Sigue siendo un niño cuya curiosidad y deseo de entender no tiene límites, porque no hay límites para la ciencia.

Feliz año nuevo, queridos amigos, y que esté lleno de nuevas preguntas y respuestas, caídas y peleas, disputas y reconciliaciones, despedidas y reuniones, porque así es nuestra vida: difícil, a veces impredecible, pero increíblemente interesante. Felices vacaciones! :)

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